Приведены результаты технологических разработок по пайке рабочих колес центробежных компрессорных машин из титанового сплава ВТ6С и стали 07Х16Н6. Предложена оценка неразъемных паяных и сварных соединений по физическому критерию — соотношению ширины шва к величине зазора.

ВВЕДЕНИЕ
Титановый сплав ВТ6С и аустенитно-мартенситная сталь 07Х16Н6 в настоящее время широко применяются в качестве материала рабочих колес центробежных компрессорных машин (ЦКМ). Высокие окружные скорости ко- лес (до 340 м/с) и различные аэродинамические ограничения предопределяют сложность конструкции, повышенные требования к точности их геометрических размеров. Поэтому такие изделия нередко изготавливают с ис- пользованием методов высокотемпературной вакуумной пайки, которые обеспечивают над- лежащее качество и сводят к минимуму де- формационные воздействия [1—3]. В данной работе в развитие указанных технологических процессов представлены результаты новых исследований и соответствующих практических разработок.

Пайка рабочих колес ЦКМ из титанового сплава ВТ6С
Применение титана для изготовления ра- бочих колес ЦКМ объясняется уникальным сочетанием высокой удельной прочности и исключительной коррозионной стойкости его сплавов, среди которых распространение по- лучил сплав ВТ6С системы Ti—6Al—4V (Gr5) с пределом прочности не менее 835 МПа. Диф- фузионная пайка рассматриваемых изделий осуществляется в атмосфере высокого вакуума с использованием специальных титановых припоев системы Ti—Cu—Ni—Zr. Отечествен- ная промышленность производит данные при- пои в виде порошка или аморфной ленты. Для пайки рабочих колес ЦКМ в настоящее время используются порошковые припои, ко- торые наносятся вблизи зазоров в виде порошковых лент, спрессованных прокаткой [2], или паст [3]. Для пайки рабочих колес компрессоров в авиации используются также специальные порошковые ленты на органическом связующем [4].

Известно, что диффузионная пайка титана титановыми припоями протекает в три стадии, первая из которых заключается в расплавлении припоя и заполнении им капиллярных зазоров. Затем, в течение 20—40 мин происходит изотермическая кристаллизация паяного шва вследствие взаимной диффузии элементов припоя и основного металла [5]. Заключительная стадия пайки состоит в диффузионном выравнивании состава шва с основным металлом и сопровождается растворением хрупких эвтектик в затвердевшем объеме ме- талла, повышением механических свойств со- единения. Указанные процессы требуют соб- людения жестких норм технологического по- рядка. Так, в случае превышения допустимых размеров зазоров ( 50 мкм) резко замедляет- ся последняя стадия диффузионной пайки титана, а при избытке порошкового припоя в соединениях образуются хрупкие галтели [2]. Порошковые припои также проблематично ук- ладывать непосредственно в зазор между основным и покрывающим дисками рабочих колес, что ввиду ликвации [6] способствует затеканию в него неблагоприятных, чрезмерно обогащенных медью и никелем, эвтектик. В связи с этим нами проведен комплекс исследований по применению для пайки титановых рабочих колес ЦКМ аморфных припоев лен- точного типа, которые широко применятся при пайке тонкостенных конструкций.
Двухфазные титановые сплавы, к каким относится сплав ВТ6С, не рекомендуется нагревать выше температуры их полиморфного превращения во избежание необратимых микроструктурных изменений. С другой стороны, температура пайки и длительность ее техно-

Рис. 1. Микроструктура паяного припоем СТЕМЕТ 1216 соединения титанового сплава ВТ6С

логического цикла должны быть максимальными для завершения необходимых диффузионных процессов. Поэтому в качестве при- поя нами была выбрана аморфная лента СТЕМЕТ-1216 системы Ti—23Cr—9Ni—12Zr производства АО «МИФИ-АМЕТО» сечением 0,04 Ѕ 20 мм с номинальной температурой плавления 930 °С. В равновесном состоянии подобного рода сплавы характеризуются боль- шой хрупкостью. Поэтому их получают путем чрезвычайно быстрого (104—106 град./сек.) охлаждения расплава, которое подавляет кристаллизацию и фиксирует аморфное состояние вещества [7]. Пайку проводили в лаборатор- ных и промышленных печах с величиной раз-
режения атмосферы рабочего пространства (1,0…1,5) Ѕ 10–2 Па при температуре 950 °С с
различными выдержками.
На рис. 1 показано изображение микро- структуры шва сплава ВТ6С паяного по опти- мальному режиму, а в табл. 1 приведены зна- чения твердости и элементного состава ха- рактерных участков соединения. Для анализа

Таблица 1

Участок Твердость, HВ Ti Al V Ni Cu Zr
Припой — 56,0 — — 8,9 23,1 12,0
Основа 291—350 90,2 5,8 4,0 — — —
Паяный шов 337—411 84,6 4,8 3,3 1,2 3,8 2,3
Сердцевина галтели 413—524 45,1 1,8 — 9,4 23,1 20,6

микроструктуры с использованием светово- го инвертированного микроскопа «AXIOOB- SERVER» применяли химическое травление шлифов в растворе плавиковой кислоты. Хи- мический состав определяли на микрошлифах рентгеноспектральным методом с применени- ем сканирующего электронного микроскопа «TESCAN VEGA».
При достаточных выдержках (не менее 4 ч) шов представлен однородным слоем пластин- чатой структуры превращенной -фазы, свойс- твенной двухфазным титановым сплавам пос- ле нагрева в -области. При этом, его ширина (400 мкм) значительно превышает величину зазора (50 мкм), что свидетельствует о вов- лечении в формировании данного участка зна- чительных объемов основного металла. Таким образом, образующейся при диффузионной пайке титанового сплава ВТ6С паяный шов представляет собой достаточно однородный ( + )-титановый сплав с известной микро- структурой. Его свойства нетрудно предуга- дать, имея в виду большой объем научных и

Cжатие

 

 

19,47 кН

Рис. 3. Общий вид паяного соединения таврового ти- па сплава ВТ6С

фактических данных, накопленных в настоя- щее время в отношении влияния легирующих элементов на свойства титановых сплавов. Никель и медь (содержатся в припое и шве) практически нерастворимы в -твердом рас- творе титана и оказывают охрупчивающее вли- яние ввиду образования интерметаллидных фаз. Цирконий, как нейтральный упрочнитель титана, менее опасен, но в больших количест- вах также способствует хрупкости. В неболь- шой степени компенсировать отрицательное влияние указанных элементов могут т.н. изо- морфные -стабилизаторы, к числу которых в данном случае относится ванадий, содержа- щейся в сплаве ВТ6С.
На рис. 2 показана зависимость механи- ческих свойств паяных соединений титаново- го сплава от длительности выдержки в процес- се пайки при заданной (950 °С) температуре. Показанная на рисунке схема испытаний на излом, достаточно корректно имитирует ре- альные свойства паяных соединений приме- нительно к рабочим колесам ЦКМ. Результаты свидетельствуют о том, что в процессе диф- фузионного отжига, паяный шов постепенно обедняется по упомянутым вредным элемен- там и его свойства улучшаются. Приемлемый

4 час

8 час

16 час

уровень свойств формируется после 8-часо- вой выдержке, при которой содержание меди в

Рис. 2. Разрушающая нагрузка при испытании на из-
лом и элементный состав паяного шва сплава ВТ6С, в зависимости от времени выдержки в процессе пайки

паяном шве не превышает 3—5 %, что, соот- ветствует известным данным о механических свойствах двойных сплавов Ti—Cu [8].

На рис. 3 показано изображение паяного шва сплава ВТ6С с использованием приме- ненного нами ленточного аморфного припоя СТЕМЕТ-1216. В отличие от варианта с по- рошковым припоем, рабочая поверхность со- единения оказывается вполне гладкой, без ха- рактерных признаков ликвации. Следует отме-
тить, что титановые припои рассматриваемой 5 5
системы легирования (эвтектические) имеют
весьма широкий интервал плавления. Наши эксперименты показали, что при номинальной температуре плавления 930 °С, данный припой

проявляет явные признаки плавления уже при 820 °С, а в работе [9] в системе Ti—Cu—Ni—Zr находят эвтектику, которая плавится и при 800 °С. Поэтому, как уже указывалось выше, желательно не допускать затекания в зазор по- добных эвтектик, т.к. они слишком обеднены по титану. Примененные нами тонкие аморф- ные припои ленточного типа довольно легко укладываются в зазор между основным и пок- рывным диском рабочего колеса ЦКМ спосо- бом точечной сварки (рис. 4), что гарантиро- ванно предотвращает последствия возможной ликвации припоя в процессе пайки.
На рис. 5 (левая часть) показана схема сборки колес перед пайкой. В случае титана,

Рис. 4. Покрывающий диск рабочего колеса ЦКМ сплава ВТ6С с прикрепленным аморфным припоем ленточного типа

Рис. 5. Схема сборки рабочих колес ЦКМ перед пай- кой: 1 — покрывающий диск, 2 — основной диск, 3 — под- ставка, 4 — керамическая бумага, 5 — сварка (прихватка), 6 — ленточный припой

припой необходимо укладывать не только в зазор, но и на боковые поверхности лопаток в целях подпитки. При этом ленту следует кре- пить как можно ближе к зазорам, поскольку ти- тановые припои весьма неохотно растекаются по поверхности. Сборка перед пайкой в спе- циальном центрирующем приспособлении и последующая подварка доступных участков (присадочная проволока СПТ-2) вполне обес- печивали жесткость зазоров и конструкции в целом. Для предотвращения провисания ра- бочих колес в процессе высокотемпературно- го нагрева в вакуумной печи их устанавливали на графитовых подставках.
По разработанной технологии нами была изготовлена партия титановых рабочих колес ЦКМ диаметром 520—650 мм, которая в насто- ящее время поставлена для эксплуатации в условиях агрессивных сероводородсодержа- щих газов на предприятии нефтепереработки.
Пайка рабочих колес ЦКМ из стали 07Х16Н6
Рабочие колеса ЦКМ, выполненные из ста- ли марки 07Х16Н6 характеризуются очень вы- сокой прочностью (предел прочности не менее 1100 MПa), достаточной для многих сред кор- розионной стойкостью и (в отличие от титана) высоким сопротивлением эрозионному воз- действию. Редкое для металлических сплавов сочетание высоких прочностных и вязко-плас-

тических свойств сталей данного переходного класса объясняется тем, что в ее структуре путем закалки и старения удается зафиксиро- вать наряду с мартенситом определенное ко- личество вязкой аустенитной фазы. Пайка рас- сматриваемых сталей проводится с примене- нием палладиевого припоя ПЖК-1000 системы Pd—33Ni—20Cr, т.к. использование более де- шевых никель-медных и никель-марганцевых припоев не обеспечивает приемлемого уровня ударной вязкости [1, 2]. В системе двойных сплавов никеля только палладий эффективно снижает температуру плавления и подавляет образование хрупких фаз.
Одна из проблем пайки стали 07Х16Н6 связана с высокой температурой процесса (1250—1270 °С), которая может провоциро- вать чрезмерный рост зерна (1—2 балл по ГОСТу 5939—82) и соответствующее паде- ние вязкопластических характеристик. Другая трудность состоит в том, что термическое уп- рочнение после пайки традиционно осущест- вляется в печах с воздушной атмосферой и приводит, ввиду интенсивного окалинообразо- вания, к изменению размеров проточной части каналов рабочих колес [10]. Известные спосо- бы по предотвращению окисления поверхнос- ти стали путем ее предварительного эмалиро- вания [1] или специального автовакуумирова- ния [1, 2] отличаются большой трудоемкостью и по нашему мнению недостаточно эффектив- ны. Ниже описана усовершенствованная тех- нология пайки и последующего термоупрочне- ния рабочих колес ЦКМ из стали 07Х16Н6 в одной печи с низким вакуумом и с использова- нием газового охлаждения.
В качестве припоя применяли полосы из
палладиевого сплава марки ПЖК-1000 СТО 00195200-086—2015 толщиной 100 мкм произ- водства ОАО «ЕЗ ОЦМ». Пайку проводили при температуре 1265 °С в течение 6 мин в атмос- фере низкого вакуума (1 Па), воспользовав- шись соответствующими данными работы [2]. Схема приспособления и укладки припоя по- казаны на рис. 5 (правая часть). Для предо- твращения изменения величины зазоров меж- ду составными частями рабочего колеса их сборку перед пайкой осуществляли в специ-

альном центрирующем приспособлении, с пос- ледующей прихваткой в доступных местах, пу- тем сварки присадочной проволокой диамет- ром 1,2 мм Св-04Х19Н11М3 ГОСТ 2246—70.
Кроме этого использовали те же самые под- ставки 3, как и в случае с титаном, которые изолировали от стали керамической бумагой 4 для предотвращения образования легкоплав- кой эвтектики при контакте графита со сталью. На рис. 6 показано изображение микро- структуры паяного шва и галтели, а на рис. 7 — полный термический цикл изготовления пая- ного рабочего колеса из стали 07Х16Н6. В дан- ном случае, в противоположность пайке тита- на, продолжительность выдержки при пайке сводится к минимуму во избежание диффузи- онной деградации паяного шва, который дол- жен играть роль достаточно мягкой прослойки. В работах [1, 2, 10] рекомендуется проводить пайку стали 07Х16Н6 в аустенитизированном состоянии для уклонения от известных объ- емных изменений, сопровождающих превра- щение кристаллической решетки ОЦК — ГКЦ. Однако нагрев до 1000 °С (аустенитизация), который следовало бы проводить непосредс- твенно перед пайкой механически обработан- ных межлопаточных каналов рабочих колес, чреват поводками. Поэтому в условиях приме- ненной нами жесткой конструкции сборки пе- ред пайкой (рис. 5), мы ограничили предвари-

 

Рис. 6. Микроструктура паяного припоем ПЖК-1000 соединения стали 07Х16Н6

 

 

 

 

 

Холод 0—70 °С, 1—4 ч
Рис. 7. Полный термический цикл обработки паяных рабочих колес из стали 07Х16Н6

тельный цикл термической обработки отжигом, для удаления водорода (490 °С) и двойным от- жигом в целях улучшения обрабатываемости резанием (рис. 6).
Термическое упрочнение стали 07Х16Н6 проводится путем высокотемпературной за- калки, обработки холодом и старения [11]. В отдельных случаях, когда рабочие колеса ЦКМ эксплуатируются, например, в водород- содержащих средах без больших нагрузок, це- лесообразно допустить в структуре стали зна- чительное количество аустенита, т.е. исклю- чить обработку холодом при –70 °С. В этих условиях достаточно вязкая структура метал- ла придает ему повышенное сопротивление водородному растрескиванию.
Современные вакуумные печи позволяют проводить закалку сталей путем быстрого за- полнения рабочего пространства различными газами, что и было в данном случае осущест- влено. Таким образом, весь цикл «пайка—за- калка» рабочих колес произведен нами в одной форвакуумной печи, с использованием азота в качестве охлаждающего газа. Однако нагрев изделий под закалку необходимо производить только после их полного охлаждения с темпе- ратуры пайки, обеспечивая тем самым пере- кристаллизацию структуры в целях измельче- ния выросшего в процессе пайке зерна. В ря- де случаев для этого может потребоваться

несколько подобных циклов термической об- работки.
По завершении пайки и термоупрочнения по описанной технологии, рабочие колеса ЦКМ из стали 07Х16Н6 подвергали разгонным ис- пытаниям в соответствии с API 617/ISO 10439 при скоростях вращения на 15 % выше эксплу- атационных (8500 об/мин) в течение несколь- ких минут. Изделия (рис. 8) находятся в эксплу- атации в условиях переработки углеводород- ных газов, содержащих следы агрессивных серосодержащих компонентов.
Сопоставление рассмотренных результа- тов пайки стали 07Х16Н6 и титана ВТ6С для

Рис. 8. Паяные рабочие колеса из стали 07Х16Н6 в со- ставе ЦКМ

решения сходных задач, свидетельствует о различном характере создаваемых паяных со- единений. Если в случае стали паяный шов со- стоит из инородного основному металлу мате- риала и в его формирование практически не включены объемы последнего (ширина шва не превышает величину зазора), то при диффузи- онной пайке титана наблюдается обратная картина. Ширина паяного титанового шва мно- гократно больше величины зазора, а его со- став близок к таковому для основного метал- ла. Таким образом, паяный шов в данном слу- чае не отличается от сварного плавлением. В соответствии с этим свойства и характер разрушения паяных соединений в обоих слу- чаях будут, по-видимому, различными. Поэто- му представляется целесообразным оцени- вать неразъемные соединения не только по технологическому признаку (сварка/пайка), но и по физическому — по соотношению ширины шва к величине зазора.

ВЫВОДЫ
1. Пайку титановых рабочих колес ЦКМ ре- комендуется проводить с использованием ти- танового припоя в виде аморфной ленты, что по сравнению с пайкой порошковым припоем существенно повышает точность его дозиро- вания и устраняет последствия ликвации.
2. Продолжительность диффузионной вы- держки в процессе пайки сплава ВТ6С зави- сит от величины зазора и определяется необ- ходимостью не только растворения эвтектики, но и достаточно полного удаления основных легирующих элементов припоя (меди, никеля) из паяного шва.
3. Пайку рабочих колес ЦКМ из аустенито- мартенситной стали 07Х16Н6 с применением палладиевого припоя ПЖК-1000 целесообраз- но проводить в атмосфере низкого вакуума

(1 Па) с фиксированным сваркой зазором, а последующую закалку проводить в той же печи с использованием газового охлаждения.
4. В свете рассмотренных примеров пайки титана и стали обоснована классификация не- разъемных (паяных и сварных) соединений металлов по критерию соотношения ширины шва к величине зазора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Галиахметов И. Г. Конструкционные материалы центробежных и винтовых компрессоров. Выбор и техно- логия их применения / Казань: «ФЭН», 2009. 155 с.
2. Радзиевский В. Н., Ткаченко Г. Г. Высокотемпера- турная вакуумная пайка в компрессоростроении / Киев: «Экотехнология», 2009. 397 с.
3. Поморцев Е. Н., Чигарин В. И., Габдрахманова З. Р. Титановые сплавы в центробежных компрессорах // Ком- прессорная техника и пневматика. 2015. № 8. С. 38—41.
4. Афанасьев-Ходыкин А. Н., Лукин В. И., Рыльни- ков В. С. Высокотехнологичные полуфабрикаты жароп- рочных припоев (ленты и пасты на органическом связую- щем) // Труды ВИАМ. 2013. № 9. 2 с.
5. Справочник по пайке. Под редакцией С. Н. Лоцма- нова, И. Е. Петрунина, В. П. Фролова / М.: «Машиностро- ение», 1975. 407 с.
6. Kay D. Liquation of brazing filler metals in brazing // Welding Journal. 2010. № 9. P. 36—39.
7. Калин Б. А., Севрюков О. Н., Федотов В. Т. Новые аморфные припои для пайки титана и его сплавов // Сва- рочное производство. 2001. № 3. С. 37—39.
8. Корнилов И. И. Титан. Источники, составы, свойс- тва, металлохимия и применение / М.: «Наука», 1975. 310 с.
9. A novel Zr—Ti—Ni—Cu eutectic system with low melting temperature for the brazing of titanium alloys near 800 °C // Journal of Materials research. 2010. 25 (02).
P. 296—302.
10. Поморцев Е. Н., Чигарин В. И., Габдрахманова З. Р. Внедрение технологичного коррозионностойкого матери- ала взамен стали 07Х16Н6 для изготовления рабочих ко- лес центробежных компрессоров // Компрессорная тех- ника и пневматика. 2013. № 5. С. 44—47.
11. Потак Я. М. Высокопрочные стали. «Успехи совре- менного металловедения» / М.: «Металлургия», 1972. 208 с.